Energie aus dem Untergrund

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Benedikt Linden
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Dokumentation D 0179 Energie aus dem Untergrund Erdreichspeicher für moderne Gebäudetechnik schweizerischer ingenieur- und architektenverein

1 Dokumentation D 0179 Energie aus dem Untergrund Erdreichspeicher für moderne Gebäudetechnik schweizerischer ingenieur- und architektenverein société suisse des ingénieurs et des architectes società svizzera degli ingegneri e degli architetti swiss society of engineers and architects

2 Energie aus dem Untergrund Erdreichspeicher für moderne Gebäudetechnik schweizerischer ingenieur- und architektenverein société suisse des ingénieurs et des architectes società svizzera degli ingegneri e degli architetti swiss society of engineers and architects selnaustrasse 16 ch-8039 zürich

3 Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein Selnaustrasse 16, Postfach, CH-8039 Zürich Titelbild: Erdwärmesondenanlage der Sparkassenzentrale Donaueschingen. Quelle und Copyright: systherma, Planungsbüro für Erdwärmesysteme, D Starzach-Felldorf Druck: Schwabe & Co. AG, Muttenz, Auflage 500 Exemplare ISBN Dokumentation SIA D 0179 Energie aus dem Untergrund Erdreichspeicher für moderne Gebäudetechnik Copyright 2003 by SIA Zurich Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdrucks, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe (Fotokopie, Mikrokopie, CD-ROM usw.), der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und das der Übersetzung, sind vorbehalten.

4 3 Inhalt Harald L. Gorhan und Vorwort 5 Mark Zimmermann Thomas Kohl Geothermie Energiespeicher der Natur 7 Walter J. Eugster Der Untergrund gehört allen Gesetzliche Rahmenbedingungen 13 Erdwärmesonden Wärme und Kälte aus der Tiefe Ernst Rohner Erdwärmesonden: Bohrung, Einbau und Berechnung 15 Fritz Luder und Erdwärmesonden, Erdreichkollektoren, Energiepfähle Michael Menzl Wärme und Kälte aus der Tiefe 29 Energiepfähle Energie aus der Fundation Stefan Holst Dynamische Gebäude- und Anlagesimulation für Energiekonzepte mit Erdreichabsorbersystemen 45 Robert Ferrari Planung und Ausführung von Energiepfählen 55 Marcel Morath Erfahrungen aus Planung, Bau und Betrieb mit grösseren Energiepfahlanlagen im Industriebereich 63 Luftansaug-Erdregister Mark Zimmermann Konzeption und Planung von erdverlegten Luftansaug-Kanälen und Luftansaug-Erdregistern 69 Thomas Baumgartner Beispiele von Gebäuden mit Luftansaug über das Erdreich 79 Sanftes Heizen, sanftes Kühlen, sanftes Klimatisieren Robert Meierhans Rolf Kussmann Sanftes Heizen und sanftes Kühlen Sinnvolle Nutzung erneuerbarer Energiequellen 85 Thermoaktive Bauteilsysteme in der Praxis, Erdkopplung und Regelstrategien 91 Hansjürg Leibundgut Exergieoptimierte Lüftung 97 Thermoaktive Bauteilsysteme tabs Markus Koschenz und Thermoaktive Bauteilsysteme tabs: Kühlen mit Energie Beat Lehmann aus dem Erdreich 103 Fritz Nüßle Geothermisches Heizen und Kühlen im Büro- und Verwaltungsgebäude der Drees & Sommer AG, Stuttgart 111

5 4 Energie aus dem Untergrund Verfasser Thomas Baumgartner, Baumgartner & Partner, CH-8600 Dübendorf Dr. Walter Eugster, Polydynamics Engineering, CH-8048 Zürich Robert Ferrari, Nägele Energie- und Haustechnik GmbH, A-6832 Röthis Dr. Harald Gorhan, Electrowatt-Ekono AG, EWE, CH-8037 Zürich Stefan Holst, Transsolar Energietechnik, D München Dr. Thomas Kohl, Institut für Geophysik, ETH Zürich, CH-8093 Zürich / Geowatt AG, Dohlenweg 28, CH-8050 Zürich Markus Koschenz, EMPA Energiesysteme/Haustechnik, CH-8600 Dübendorf Rolf Kussmann, Meierhans + Partner AG, Beratende Ingenieure für Gebäudetechnik, CH-8117 Fällanden Beat Lehmann, EMPA Energiesysteme/Haustechnik, CH-8600 Dübendorf Dr. Hansjürg Leibundgut, Amstein + Walthert AG, CH-8050 Zürich Fritz Luder, Dipl. Ing. HTL/STV, CH-8360 Eschlikon Robert Meierhans, Indoor Climate Concepts GmbH, CH-8610 Uster Michael Menzl, Haka Gerodur AG, CH-8717 Benken Marcel Morath, Ingenieurbüro Lippuner & Partner AG, CH-9472 Grabs Fritz Nüßle, Zent-Frenger, D Heppenheim Ernst Rohner, Geowatt AG, CH-8050 Zürich Mark Zimmermann, EMPA Zentrum für Energie und Nachhaltigkeit im Bauwesen ZEN, CH-8600 Dübendorf

6 5 Vorwort Vor etwa 25 Jahren wurde mit der Entwicklung von Erdregistern und Erdwärmesonden begonnen, um mit Hilfe von Wärmepumpen Einfamilienhäuser zu beheizen. Anfänglich gab es einen langsamen Start es mussten ja erst Berechnungsmethoden und geeignete Installationstypen und -materialien für Erdwärmesonden entwickelt werden. Nach relativ kurzer Zeit erfolgte aber ein rasanter Aufschwung in der Verwendung von so genannten «erdgekoppelten» Wärmepumpenanlagen, so dass heute, per capita oder Fläche, die Schweiz weltweit einen Spitzenplatz einnimmt. Die Entwicklung der Erdwärmenutzung und der Bohrtechnik hat in der Zwischenzeit die horizontal verlegten Erdregister praktisch verdrängt. Die Bohrtechnik blieb aber auch nicht bei den anfänglich untiefen Sonden (80 bis 100 m) stehen. Es wurde begonnen, Erdwärmesonden in immer grössere Tiefen zu verlegen, um von den dort höheren Temperaturen zu profitieren. Zur Beheizung von auch grösseren Gebäudekomplexen lag es nahe, mehrere Erdwärmesonden, sogenannte Erdwärmesondenfelder energetisch zu bewirtschaften. Dies verlangte wiederum nach verbesserten Auslegungsberechnungen, da sich die einzelnen Sonden beim Wärmeentzug gegenseitig beeinflussen können. Ein weiterer Vorteil dieser Felder lag auch in der Verwendung des Untergrundes als Speichermedium. Im Sommer kann das Gebäude gekühlt und die Überschusswärme im Erdreich gespeichert werden. Dann im Winter ist wiederum der Bezug der gespeicherten Wärme aus dem Untergrund möglich. Etliche derartig ausgelegte Grossanlagen funktionieren in der Schweiz klaglos, und dies bereits seit mehreren Jahren. Gerade wegen der kombinierten Wärme- und Kälteproduktion kann die Wirtschaftlichkeit des Betriebes solcher Anlagen gesteigert werden, da zur Zirkulation durch den Untergrund nur eine Umwälzpumpe (free cooling) und keine teurere Kältemaschine benötigt wird. Eine weitere Technologie zur Gewinnung von Erdwärme und Kälte wurde in den letzten 15 Jahren entwickelt. Bei schlechten Baugrundverhältnissen müssen grössere Gebäude bekanntermassen auf Pfähle gegründet werden. Hier lag natürlich die Idee nahe, diese Pfähle mit Wärmetauscherrohren zu versehen, um dann mit derartigen «Energiepfählen» dem Boden Wärme und Kälte entziehen zu können. Diese Rohre können sowohl in Ortbetonpfählen als auch in Rammpfählen eingebaut werden. Auch für diese Energiepfähle gibt es bereits mehrere Ausführungsbeispiele in der Schweiz, wie zum Beispiel die Flughafenerweiterung Dock Midfield in Kloten. Bei der Eröffnung im Herbst 2003 wird sich hoffentlich ein Erfolg einstellen, zumindest was die geothermische Energienutzung betrifft! Aus den genannten Gründen ist es nicht verwunderlich, dass das Bundesamt für Energie (BFE) an einer engen Zusammenarbeit zwischen den Programmen «Geothermie» und «Rationelle Energienutzung in Gebäuden» sehr interessiert ist. Um die Energie aus dem Untergrund optimal nutzen zu können, muss auch die Gebäudetechnik entsprechend ausgelegt sein. In diesem Zusammenhang sollte auch die Verwendung von Erdwärme für Gebäude im Minergie- oder Minergie-P-Standard erwähnt werden, welche sehr oft sogenannte Luftansaug-Erdregister zur Vorwärmung der Aussenluft im Winter und zu deren Kühlung im Sommer benutzen. Aber auch für grössere Gebäude, die mit thermoaktiven Bauteilen betrieben werden, bietet die Nutzung von Wärme und Kälte aus dem Erdreich grosse Vorteile. Wärme und Kälte aus dem Erdreich stellen somit eine erneuerbare, einheimische Energieressource dar, deren Nutzung kaum Auswirkungen auf die Umwelt hat und an der Erdoberfläche praktisch unsichtbar ist. Mit der vorliegenden Dokumentation soll ein Überblick über die aktuellen Möglichkeiten der untiefen Geothermie vermittelt werden. Sie soll dem Planer und Bauherrn zeigen, wie sich diese Technik in Bauprojekten optimal einsetzen lässt. Harald L. Gorhan Leiter BFE-Programm «Geothermie» Mark Zimmermann Leiter BFE-Programm «Rationelle Energienutzung in Gebäuden»

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